稀磁半导体的研究

稀磁半导体材料的结构与性质稀磁半导体材料是一类具有特殊磁性和半导体特性的材料，它们在磁性和电子学领域具有重要的应用潜力。

本文将探讨稀磁半导体材料的结构与性质，并介绍一些相关的研究进展。

一、稀磁半导体材料的基本概念稀磁半导体材料是指在晶体中含有稀土元素或过渡金属离子的半导体材料。

这些材料既具有半导体的电子学特性，又具有磁性的特点。

稀磁半导体材料的磁性来源于其中的稀土或过渡金属离子的磁性，而半导体特性则来自于材料的能带结构。

二、稀磁半导体材料的结构稀磁半导体材料的结构通常是由晶体结构和离子掺杂结构两部分组成。

晶体结构决定了材料的晶格参数和晶体对称性，而离子掺杂结构则决定了材料中的稀土或过渡金属离子的位置和取代程度。

在晶体结构方面，稀磁半导体材料常采用锌刚石结构或闪锌矿结构。

锌刚石结构的晶胞中包含两个互相取代的离子，其中一个是半导体基底元素（如锌或镓），另一个是稀土或过渡金属离子。

闪锌矿结构的晶胞中也包含两个互相取代的离子，但其中一个是半导体基底元素，另一个是稀土或过渡金属离子。

离子掺杂结构的设计和控制对于稀磁半导体材料的性能至关重要。

通过掺杂不同的稀土或过渡金属离子，可以调节材料的磁性和半导体特性。

此外，还可以通过掺杂不同的浓度和位置，实现材料的磁性和电子学特性的优化。

三、稀磁半导体材料的性质稀磁半导体材料的性质主要包括磁性和电子学特性。

磁性是稀磁半导体材料的重要特征之一，它可以通过外加磁场或温度的变化来调节。

稀磁半导体材料通常具有铁磁、反铁磁或顺磁性质，这取决于其中的稀土或过渡金属离子的自旋排列和相互作用。

除了磁性，稀磁半导体材料还具有半导体的电子学特性。

这些材料的能带结构和导电性质可以通过离子掺杂和外加电场来调节。

稀磁半导体材料的能带结构通常包括导带、价带和禁带，电子和空穴的运动在其中起着重要的作用。

稀磁半导体材料的磁性和电子学特性使其在磁性存储、磁性传感器和自旋电子学等领域具有广泛的应用前景。

Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜结构和磁性研究的开题报告题目：Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜结构和磁性研究一、研究背景和意义稀磁半导体是一种新型功能材料，具有半导体和磁性的双重特性，被广泛应用于信息存储、传感器、磁性控制器等领域。

以ZnO为基础的稀磁半导体具有许多优点，如优良的物理性能、便于制备和稳定性等。

此外，Cr的掺杂可以使ZnO基半导体具有磁性，从而扩展了其应用范围。

因此，对Cr掺杂ZnO基稀磁半导体的磁性和结构进行研究具有重要的科学意义和应用价值。

二、研究目的本文旨在研究Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的结构和磁性质，探究Cr掺杂浓度对ZnO基半导体的结构和磁性的影响，为其在信息存储、传感器等领域的应用提供理论依据。

三、研究内容和方法1. Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的制备：采用磁控溅射法，在ZnO薄膜中掺杂Cr，制备Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜。

2. 结构表征：采用X射线衍射、扫描电子显微镜等测试手段，研究Cr掺杂浓度对ZnO基半导体的结构和晶体结构的影响。

3. 磁性测量：采用超导量子干涉仪和霍尔效应磁强计等仪器测试Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的磁性质。

四、预期成果研究Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的结构和磁性质，探究Cr掺杂浓度对其的影响，预计可以得到以下成果：1. 获得Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜的结构和晶体结构的变化规律。

2. 揭示Cr掺杂浓度对ZnO基半导体的磁性的影响及其物理机制。

3. 提出有效的优化掺杂浓度的方案，进一步拓展稀磁半导体在信息存储、传感器等领域的应用。

五、研究进度安排1月-3月：文献调研和理论研究4月-6月：制备Cr掺杂ZnO基稀磁半导体薄膜，进行结构表征和磁性测量7月-9月：对实验结果进行数据处理和分析10月-12月：撰写论文，完成学位论文答辩六、参考文献1. 王清福. 稀磁半导体的研究进展[J]. 新型材料, 2007, 35(8): 43-46.2. 雷震宇, 王树敏, 等. Cr掺杂ZnO的磁性研究[J]. 功能材料, 2006, 37(11): 1841-1843.3. 吴生志, 张文军, 等. 氧化物稀磁半导体材料及其在信息存储中的应用[J]. 稀土, 2010, 31(5): 1-6.。

《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，稀磁半导体材料因其独特的物理和化学性质在电子器件、光电技术等领域展现出了广泛的应用前景。

在众多稀磁半导体材料中，3D过渡金属掺杂的In2O3材料因其具有优良的导电性、光学性质和磁学性能而备受关注。

本文将重点介绍3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备方法、材料性能及其应用前景。

二、制备方法1. 材料选择与准备制备3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料，首先需要选择合适的原材料。

本实验选用高纯度的In2O3粉末和不同种类的过渡金属氧化物作为掺杂剂。

2. 制备过程（1）将选定的过渡金属氧化物按照一定比例与In2O3粉末混合，充分研磨以确保掺杂均匀。

（2）将混合粉末置于高温炉中，在氧气气氛下进行烧结，以促进原子间的扩散和反应。

（3）烧结完成后，对样品进行研磨、退火等后处理，以提高材料的结晶度和纯度。

三、材料性能研究1. 结构表征通过X射线衍射（XRD）技术对制备的3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料进行结构表征，确定材料的晶体结构和晶格参数。

2. 光学性能利用紫外-可见光谱技术分析材料的光学性能，包括光吸收、光反射等特性。

同时，通过光致发光光谱研究材料的光学带隙和发光性能。

3. 磁学性能通过磁性测量技术，如超导量子干涉仪（SQUID）等设备，研究材料的磁学性能，包括饱和磁化强度、磁导率等参数。

四、应用前景1. 电子器件领域由于3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料具有优良的导电性和磁学性能，可应用于制备高性能的电子器件，如场效应晶体管、自旋电子器件等。

2. 光电技术领域该材料具有优异的光学性能，可应用于光催化、光电器件等领域，如光解水制氢、光电传感器等。

五、结论本文成功制备了3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料，并对其结构、光学和磁学性能进行了深入研究。

实验结果表明，该材料具有优良的导电性、光学性能和磁学性能，在电子器件、光电技术等领域具有广泛的应用前景。

Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的X射线吸收谱学研究的开题报告一、研究背景和意义随着信息产业的飞速发展，人们对信息技术的需求越来越高，这也促进了半导体材料的持续发展和研究。

稀磁半导体作为一类新兴的半导体材料，因其具有磁电子特性和光电子特性的双重优势，在信息学、电子、光电等领域具有潜在的应用前景。

其中，Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体作为一类新型的光电子材料，因其独特的磁电转换效应和光致发光等特性，被广泛应用于显示器件、红外探测器、半导体激光器等领域，尤其是在信息存储、数据传输和信息处理方面具有重要的应用前景。

在研究Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的性质和应用前景时，其电子结构和原子排布方式是需要深入探究的内容。

X射线吸收谱学是一种非常重要的表征材料电子结构和原子排布的方法。

本课题将利用X射线吸收谱学研究Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的电子结构和原子排布方式，为该材料的深入研究和应用提供参考和支持。

二、研究内容和方法1、研究内容（1）研究Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的结构和物理性质，探究其中的电子结构和原子排布方式。

（2）通过X射线吸收谱学研究Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的原子内壳电子能级的跃迁行为和电荷状态，揭示其电子结构和原子排布方式，为该材料的应用提供理论支持。

2、研究方法（1）利用化学沉淀法合成Mn掺杂的Ⅳ族稀磁半导体。

（2）利用X射线吸收谱仪和X光衍射仪对材料进行表征和分析。

（3）对吸收光谱进行模拟和分析，得出Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的电子结构和原子排布信息。

三、预期成果通过本课题的研究，将深入了解Mn掺杂Ⅳ族稀磁半导体的电子结构和原子排布方式，为其相关应用提供理论支持。

同时，本课题的研究成果也将对稀磁半导体的电子结构和原子排布等领域的进一步研究提供参考和支持。

《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》一、引言稀磁半导体材料是一种结合了磁性和半导体特性的新型材料，其应用领域涵盖了自旋电子学、光电子学和磁学等多个方面。

在众多的稀磁半导体材料中，In2O3基的稀磁半导体因其优异的物理性能和化学稳定性，备受研究者的关注。

而当我们将3D过渡金属掺杂到In2O3中时，不仅可以进一步优化其电子结构，还可以为材料的磁性调控提供更多的可能性。

本文将重点介绍3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备过程及其研究进展。

二、制备方法在制备3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的过程中，我们采用了高温固相法。

首先，将所需的In2O3和过渡金属氧化物按照一定的摩尔比例混合均匀，然后在高温环境下进行长时间的烧结，使原料充分反应并形成稳定的固溶体。

最后，通过研磨、压片、再次烧结等步骤，得到所需的稀磁半导体材料。

三、材料性能研究1. 结构分析我们利用X射线衍射（XRD）技术对制备的3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料进行了结构分析。

结果表明，掺杂后的材料具有较好的结晶性，且晶格常数发生了明显的变化，这表明过渡金属已经成功掺入In2O3的晶格中。

2. 磁性研究通过振动样品磁强计（VSM）的测试，我们发现掺杂后的材料具有明显的室温铁磁性。

随着过渡金属掺杂浓度的增加，材料的饱和磁化强度也呈现出一定的变化趋势。

这表明我们可以通过调整掺杂浓度来调控材料的磁性能。

3. 光学性能研究利用紫外-可见光谱（UV-Vis）对材料的光学性能进行了研究。

结果表明，掺杂后的材料在可见光区域的透过率有了明显的提高，这有利于提高材料在光电子学领域的应用性能。

四、应用前景3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料因其优异的磁性和光学性能，在自旋电子学、光电子学、传感器等领域具有广泛的应用前景。

例如，可以将其应用于制备高性能的自旋电子器件、光电开关等。

此外，这种材料还可以用于制备高效的太阳能电池、光催化剂等。

《3d过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料的制备与研究》篇一一、引言随着科技的发展，稀磁半导体材料因其独特的物理和化学性质，在自旋电子学、量子计算、光电子器件等领域具有广泛的应用前景。

其中，3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料因其优异的电学、磁学及光学性能而备受关注。

本文将重点介绍这种材料的制备方法，并对其性能进行研究。

二、制备方法1. 材料选择与准备首先，选择高质量的In2O3基底材料和适当的过渡金属元素作为掺杂剂。

这些元素应具有良好的化学稳定性和与In2O3基底的兼容性。

2. 制备过程（1）将In2O3基底材料进行预处理，如清洗、干燥、研磨等，以提高其表面活性。

（2）将过渡金属元素以适当的方式（如溶液法、气相法等）掺入In2O3基底材料中。

（3）通过高温热处理或化学气相沉积等方法使材料烧结，形成致密的薄膜结构。

（4）最后对材料进行退火处理，以优化其晶体结构和性能。

三、材料性能研究1. 结构分析利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对制备的3D过渡金属掺杂In2O3稀磁半导体材料进行结构分析。

通过XRD分析材料的晶体结构，SEM观察材料的形貌和微观结构。

2. 电学性能研究通过霍尔效应测试、电阻率测试等方法研究材料的电学性能。

分析过渡金属掺杂对In2O3基底材料电导率、载流子浓度等的影响。

3. 磁学性能研究利用磁学测量系统（SQUID）等设备对材料的磁学性能进行研究。

分析过渡金属掺杂对材料磁化强度、矫顽力等的影响。

四、结果与讨论经过实验制备出多种不同过渡金属掺杂的In2O3稀磁半导体材料，对其结构、电学和磁学性能进行了系统研究。

实验结果表明：1. 通过合适的制备方法，可以成功将过渡金属元素掺入In2O3基底材料中，形成致密的薄膜结构。

2. 过渡金属掺杂可以显著提高In2O3基底材料的电导率和载流子浓度，降低电阻率。

同时，掺杂的过渡金属元素还可以改变材料的磁学性能，使其具有较高的磁化强度和较低的矫顽力。

ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质的开题报告
一、研究背景及意义
随着人类对磁性材料的研究不断深入，发现了许多具有独特光学和电学特性的材料，如铁电材料、压电材料、磁性材料等。

其中，稀磁半导体材料是近年来研究的热点之一。

这类材料在光电工程、电子学等领域具有广泛的应用前景，例如在原子频标、光学传感、磁存储和量子计算等方面都有潜在的应用。

二、研究内容和方法
本文主要研究ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质。

具体研究内容如下：
1.了解ZnO基稀磁半导体材料的结构和性质；
2.研究ZnO基稀磁半导体的光学性质，如吸收谱、荧光光谱等；
3.研究ZnO基稀磁半导体的磁学性质，如磁滞曲线、磁性测量等；
4.比较不同条件下ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质的变化，探究其变化规律。

本研究将主要采用实验和理论计算相结合的方法，通过X射线衍射、电子显微镜和光谱仪等仪器对样品进行测量和分析。

三、预期成果
通过对ZnO基稀磁半导体的光学和磁学性质的研究，可以对其物理机制和特性进行深入理解。

同时，对于材料科学领域也具有重要的理论和应用价值。

四、研究难点
1.稀磁半导体存在较弱的磁性，如何准确测量其磁学性质是个难点；
2.稀磁半导体的光学性质与其结构密切相关，如何对其结构进行准确控制也是一个挑战。

五、研究意义和应用前景
ZnO基稀磁半导体具有广泛的应用前景，例如在电子、光电子、磁性存储和量子计算等领域应用。

因此，对其光学和磁学性质的深入研究将为其进一步应用提供理论基础和实验支撑。

稀磁半导体及其主要性质和应用稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors, DMS）是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素（transition metals, TM）取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度。

从实际应用中来看，以半导体材料为支撑的大规模集成电路空前的规模和高频率器件在信息处理和传输中扮演着重要的角色，在这些技术中它们都极大的利用了电子的电荷属性；而信息技术中另一个不可缺少的方面——信息存储（如磁带、光盘、硬盘等）则是由磁性材料来完成的，它们极大地利用了电子的自旋属性。

然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的，彼此之间相互独立。

如果能同时利用电子的电荷和自旋属性，无疑将会给信息技术带来崭新的面貌，稀磁半导体就可以实现这些功能，并且由此产生了一门新兴学科，即自旋电子学。

我们所知的常见的半导体材料都不具有磁性，如：Si、Ge、GaA s、InP、ZnO、GaN、SiC等，而具有磁性的材料如：Fe、Co、Ni等及其化合物不具有半导体的性质，而且它们与半导体材料的表面势垒不能很好地相容。

半导体可以通过少量n型或者p型掺杂改变其特性，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，在GaAs、GaN、InP、ZnO等化合物半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，由于磁性离子与半导体导带中电子的自旋交换作用以及过渡金属离子之间的自旋交换作用可导致这类材料的磁性。

这种通过部分取代非磁性离子而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，称其为“稀磁”。

一般地讲，在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料，称之为“稀磁半导体”，它具有很多独特的性质和广泛的应用。

DMS材料同时利用电子的电荷属性和自旋属性，具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景，已成为材料领域中新的研究热点。

磁光效应论文：稀磁半导体中磁光效应的应用研究【中文摘要】近几十年来,随着以磁性存储技术为代表的自旋电子学在新兴高科技领域获得日益广泛的应用,以磁光效应为原理的各种磁光器件和磁光测量技术也在科研的基础和应用研究中显示了其独特的优势和广阔的应用前景,从而引起人们浓厚的兴趣。

根据入射光的偏振状态不同,磁光效应可以简单的归类为：基于线偏振光的磁光克尔效应(MOKE),和基于圆偏振光的磁圆二向色性(MCD)。

其中MOKE 对于样品的表面净磁矩敏感,通常作为一种重要的表面磁性测量手段;MCD主要反映样品对于左旋和右旋光的吸收差别,即圆二向色性。

对于低能量(1—5eV)的MCD能够反映费米面附件的特征吸收边的磁圆二色性,也是研究稀磁半导体的一个重要实验方法之一。

本论文主要介绍了磁圆二向色性(MCD)谱仪和磁光克尔效应(MOKE)这两种测量方法的基本工作原理和自主搭建情况,并且研究了在稀磁半导体(DMS)中的磁光效应。

其中本人的贡献主要是MCD谱仪的搭建、软件编制、调试,以及MCD和MOKE的测量工作。

本论文主要分为以下五章：第一章,一般性的背景介绍,包括磁光效应的分类,原理及应用,以及自旋电子学。

第二章,着重介绍了磁圆二色向性光谱仪的工作原理、应用情况,以及我们自主搭建的磁圆二向色性光谱仪的特点。

第三章,介绍了磁光克尔效应的工作原理和实验应用。

第四章,利用MCD和MOKE这两种测量方法,并且应用于ZnCoO稀磁半导体薄膜和CFO/KNN双层膜结构的复合多铁性材料的磁电耦合效应的研究。

第五章,总结全文和未来展望。

【英文摘要】In recent decades, as the development of magnetic-memory technique of spintronics in emerging high-tech fields, vatious kind of magnetic-optical devices and magnetic-optical measure that use the theory ofmagnetic-optical effect have displayed these special proerty and broad application prospects, which attracted people’s strong interest. According to the difference of polarization of incident light, magnetic-optical effect can be simply divided into two parts:Magnetic-optical Kerr effect(MOKE), which is based on line polarized light, and magnetic circle dichroism, which is based on circle polarized light. While MOKE is sensitive to magnetic moment on the surface of sample, so it is usually acted as an magnetic measurement for surface; and while MCD can reflect the absorption difference of right-handed light and left-handed light. For the energy between lev and 5ev, MCD can reflect the features nearby Fermi surface, which is an important tool to study diluted magnetic semiconductor.In this paper, I will mainly take a case study of the magnetic circular dichroism(MCD) and the surface magneto-optical kerreffect(SMOKE) to introduce the application of magneto-optical effect in Diluted magnetic semiconductors(DMS) and introducethe equipments that I build; I will also introduce the basic theory and the develop process of the magnetic circular dichroism spectroscopy and the kerr effect spectroscopy, whilethe major work that I have done is setting up the equipments, writing the program, and debuging the MCD and MOKE spectrograph.This paper can be devided into five chapters:Inthe first chapter, I will mainly introduce the background,which include the sort, theory and application ofmagnetic-optical effect and spintronics.In the second chapter,I will mainly introduce the application and working principleof magnetic circular dichroism(MCD) spectroscopy, andintroduce the MCD spectroscopy which is set up by our group.Inthe third chapter, I will mainly introduce the basic theory and application of magneto-optical kerr effect(MOKE).In the fourth chapter, I will make use of the data that taken by MCD and MOKEto measure some sample, and explain the data.In the five chapter,I will summary the whole paper.【关键词】磁光效应磁圆二向色性磁光克尔效应铁磁性自旋电子学稀磁半导体【英文关键词】Magneto-optical effect Spintronics SMOKE MCD DMS【目录】稀磁半导体中磁光效应的应用研究摘要8-9ABSTRACT9-10第一章绪论11-21第一节引言11-12第二节磁光效应简介12-15 1.2.1 法拉第效应12-13 1.2.2 科顿-穆顿效应13-14 1.2.3 磁光克尔效应14 1.2.4 塞曼效应14-15 1.2.5 光磁效应15第三节磁光效应的应用15-21 1.3.1 磁圆二向色性(MCD)光谱仪15-17 1.3.2 磁光克尔效应光谱仪17-18 1.3.3 磁光调制器18 1.3.4 磁光隔离器18-19 1.3.5 磁光记录19-21第二章 MCD光谱仪的原理及设计21-49第一节磁圆二向色性简介21-24第二节磁圆二向色性(MCD)的基本原理24-38 2.2.1 MCD光谱学理论24-30 2.2.2 MCD中的A项、B项和C项贡献30-38第三节 MCD光谱仪的设计38-49 2.3.1 MCD光谱仪的基本结构38-43 2.3.2 MCD光谱仪的校准43 2.3.3 本组自主搭建的MCD光谱仪43-49第三章磁光克尔效应(MOKE)的介绍及应用49-56第一节磁光克尔效应简介49-50 3.1.1 磁光克尔效应的发展49 3.1.2 磁光克尔效应的优点49-50 3.1.3 磁光克尔效应的应用50第二节磁光克尔效应的原理50-53第三节 MOKE仪器装置简介53-56第四章磁光效应实验测量与结果讨论56-64第一节 MCD光谱仪的测试结果及数据分析56-62 4.1.1 标准样品的MCD测量56-57 4.1.2 稀磁半导体Co:ZnO的MCD测量57-62第二节 MOKE的测试结果及磁电耦合效应的初步探索62-64第五章总结与未来展望64-65参考文献65-69致谢69-70学位论文评阅及答辩情况表70。

ZnO基稀磁半导体的铁磁性机理的开题报告
一、研究背景和意义
稀磁半导体是一类既具备半导体特性，又同时具有铁磁性或反铁磁性的材料，具有巨大的应用潜力。

其中，ZnO基稀磁半导体因其优良的光学、电学和磁学性质，被广泛应用于磁性存储、光电器件和自旋电子学等领域。

然而，目前对于ZnO基稀磁半导体铁磁性机理的研究还十分不完善。

因此，探究ZnO基稀磁半导体的铁磁性机理，对于进一步推动稀磁半导体相关领域的发展具有十分重要的意义。

二、研究内容
本研究旨在研究ZnO基稀磁半导体的铁磁性机理。

具体研究内容包括以下几个方面：
1. ZnO基稀磁半导体材料的制备。

通过化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等方法，制备出具有稀磁半导体特性的ZnO基材料。

2. 磁学性能的表征。

通过X射线衍射、超导量子干涉磁强计、磁光Kerr效应等手段，分析所制备的ZnO基稀磁半导体材料的磁学性能。

3. 磁性机理的探究。

通过磁滞回线、M-H曲线、VSM等方法研究ZnO基稀磁半导体材料的磁性机理，分析其铁磁性来源。

三、预期成果
通过对ZnO基稀磁半导体铁磁性机理的探究，本研究旨在获得以下预期成果：
1. 推动稀磁半导体相关领域的发展，为磁性存储、光电器件、自旋电子学等领域的应用提供新的思路和方向。

2. 对ZnO基稀磁半导体材料的铁磁性机理有更为清晰的认识。

3. 为长期稳定的稀磁半导体制备提供理论支持。

4. 积累ZnO等ZnO族半导体材料的相关研究经验。

ZnO基纳米稀磁半导体及CdS纳米半导体的制备与性能研究的开题报告一、选题背景及意义随着纳米技术的不断发展，纳米材料在磁性、半导体、光电等领域中得到了广泛的应用。

稀磁半导体是近年来新型晶体材料中备受关注的一类新材料，具有磁性和半导体性质，为新型存储材料、能源材料等的应用提供了有力的支持。

ZnO是一种具有广泛应用的半导体材料，在电子技术、制备石墨烯等领域中有着重要作用。

CdS作为光电领域中的重要半导体材料，其纳米结构具有较高的光电性能，可用于制备光电器件、传感器等。

本文选取ZnO基稀磁半导体和CdS纳米半导体为研究对象，通过对它们的制备、结构和性能等方面进行探究，可为其应用提供必要的理论和实验基础。

二、研究目的和内容本文的主要目的是研究ZnO基稀磁半导体和CdS纳米半导体的制备方法、结构和性能等方面，为这些材料的应用提供理论和实验支持。

具体研究内容包括：1.探究ZnO基稀磁半导体和CdS纳米半导体的制备方法，优化其制备工艺。

2.对所制备的材料进行结构表征，包括X射线衍射、透射电镜等技术，研究其晶体结构和形貌等性质。

3.对所制备材料的性质进行测试，包括磁性、光电性质等方面的测试，探究其物理性质和应用性能。

三、研究方法1.化学沉积法制备ZnO基稀磁半导体材料，采用硫代乙酸钠为稀磁掺杂物；溶剂热法制备CdS纳米半导体材料，采用异硫氰酸钾为前体。

2.利用X射线衍射、透射电镜等技术进行材料结构表征。

3.通过磁性测试仪、光电性能测试仪等设备对材料进行性能测试。

四、预期成果与意义通过实验研究，可得到ZnO基稀磁半导体和CdS纳米半导体的制备方法、结构和性能等方面的数据，并同时探究这些材料应用的可能性。

这对于磁性存储、能源材料、光电器件等领域的应用具有重要的理论和实践意义。

同时，本研究也有利于丰富稀磁半导体和纳米半导体材料领域的理论和实验研究，并为相关科学家和工程师提供必要的信息。

文章编号:1001-9731(2021)02-02057-09Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型稀磁半导体磁电性质的研究进展*李越,陈婷,叶燕,丁守兵,毋志民(重庆师范大学物理与电子工程学院光电功能材料重庆市重点实验室,重庆401331)摘要:稀磁半导体(D i l u t e d M a g n e t i cS e m i c o n d u c t o r,D M S)是一种兼具半导体性与磁性且具有优异独特磁光㊁磁电功能的新型半导体材料㊂首先介绍了D M S的研究进展及其分类,重点阐述了Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基D M S的磁电性质,在实验方面和理论计算方面所取得的研究进展,包括Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族D M S的制备方法㊁基本磁性质㊁磁性起源㊁输运性质及光学性质等㊂目前已经证实了某些D M S材料的铁磁性起源机制,一些新型D M S材料的最高居里温度(C u r i e t e m p e r a t u r e,T c)已经可以与(G a,M n)A s相比拟,并克服了传统稀磁半导体难以解决的问题㊂最后对Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族D M S的发展和应用前景进行了展望㊂关键词:新型稀磁半导体;Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族;磁电性质;T c调控中图分类号: T B34;O469文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2021.02.0080引言作为20世纪改变人类生活最重要的发明之一,计算机已经成为了人们生活中不可或缺的一部分,而计算机技术的革新与半导体材料的发展密不可分㊂例如,信息的处理和传输是利用了半导体材料的电子电荷属性所制造的集成电路或高频率器;而信息的存储则是利用了磁性材料的电子自旋属性所制造的存储器或光盘等[1-3]㊂随着信息技术的迅猛发展,人们对信息的载体提出了运算更快㊁容量更大㊁体积更小㊁能耗更低的要求㊂研究者发现如果能制备出一种可以同时操控半导体材料的电子电荷自由度和磁性材料的电子自旋自由度的半导体,并用来进行信息的处理㊁传输和储存,就有望突破摩尔定律瓶颈㊂而由磁性过渡族金属离子或稀土金属离子部分替代Ⅲ-Ⅴ族或者Ⅱ-Ⅵ族等非磁性化合物半导体中的阳离子后所形成的一种新型半导体 稀磁半导体(D i l u t e dM a g n e t i c S e m i c o n d u c t o r,D M S),因其兼具半导体特性和磁性,可以同时利用电子电荷和自旋两种自由度,得到了广泛关注和研究[4-5]㊂图1(a)非磁的普通半导体;(b)浓缩的磁性半导体;(c)稀磁半导体[6]F i g1N o n-m a g n e t i c g e n e r a l s e m i c o n d u c t o r,c o n c e n-t r a t e d m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r a n d d i l u t e dm a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r[6]稀磁半导体又可称为半磁半导体(S e m i m a g n e t i c S e m i c o n d u c t o r,S M S),由于其相对于普通的磁性材料而言,D M S中的磁性元素相对较少,因此被称为稀磁半导体[7],(如图1所示)并且由于在非磁性半导体中引入了微量磁性原子,改变了原有半导体中的某些微观机制,包括能带结构和载流子的行为等,使得新型的D M S在电㊁光㊁磁学方面具有优异而独特的性质,如:反常霍尔效应㊁负磁阻效应㊁巨塞曼效应㊁巨法拉第旋转等[2]㊂并且在光电子学领域以及自旋电子学领域同样展现出广阔的应用前景,可以制造各种性能优越的功能器件,如稳定的存储器㊁自旋阀㊁逻辑器件㊁自旋二极管㊁高速光开关㊁高密度非易失性存储器㊁磁感应器等[3,8]㊂与传统D M S不同,新型Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基D M S 不仅能够实现电荷与自旋的分离注入,还在制备块体材料㊁构造异质结㊁增加磁性离子固溶度和提高居里温度(C u r i eT e m p e r a t u r e,T c)等方面有极大的改善和发展㊂因此,Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型D M S材料具有重要的研究意义和广阔的应用前景㊂本文首先介绍了D M S的研究进展和分类;然后,重点综述了Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族新型D M S材料在实验与理论计算方面的研究进展,并对其发展和应用前景进行了展望㊂1稀磁半导体的发展和分类简介1.1稀磁半导体发展简介稀磁半导体的研究和发展经过了4个重要的阶段(如图2),最早可追溯到20世纪60年代,人们发现在E u基硫族化合物和C r基尖晶石材料中存在半导体性75020李越等:Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型稀磁半导体磁电性质的研究进展*基金项目:重庆市自然科学基金面上资助项目(c s t c2019j c y j-m s x m X0251)收到初稿日期:2020-08-17收到修改稿日期:2020-09-28通讯作者:丁守兵,E-m a i l:s h o u b i n g d i n g@c q n u.e d u.c n;毋志民,E-m a i l:z m w u@c q n u.e d u.c n作者简介:李越(1997 )女,重庆人,硕士,师承毋志民教授,主要从事磁电功能材料等方面的研究㊂和磁性共存的物理现象[9]㊂因此,第一代磁性半导体:浓缩磁性半导体开始被人们发现并展开研究㊂其中最具有代表性的是E u或C r的硫族化合物,即岩盐结构(N a C l-t y p e)以及尖晶石结构(S p i n e l s)㊂此类半导体的每个单胞中都含有磁性,但其170K的T c远低于实际应用要求,存在较难的载流子掺杂和异质结制备,且具有很差的半导体传输性和极强的绝缘性,使得此方面的研究进展缓慢[4,9-10]㊂图2稀磁半导体发展时间轴.F i g2T i m e l i n e o f d i l u t em a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s d e v e l o p m e n t20世纪80年代,第二代磁性半导体Ⅱ-Ⅵ族D M S 被广泛研究,具有代表性的是(C d,M n)T e㊁(Z n,M n) S e㊁(Z n,M n)T e半导体[11]㊂其具有较高的磁性离子浓度,掺杂水平可以高达80%,但在M n离子掺入化合物后只引入了局域自旋,对载流子的束缚和提供均无明显作用,且体系仅具有铁磁短程有序性㊂虽然Ⅱ-Ⅵ族D M S在实验制备上容易实现,但很难实现p型掺杂和n型掺杂,所以第二代磁性半导体在实际应用上受到了较大限制[9,12]㊂20世纪90年代,第三代磁性半导体:以(G a,M n) A s为代表的Ⅲ-Ⅴ族D M S被发现[9]㊂由于在(G a, M n)A s薄膜中可以观察到铁磁有序,所以促使人们对Ⅲ-Ⅴ族D M S开展了广泛的研究,使得沉寂许久的D M S领域重新掀起了研究热潮,同时促进了自旋电子学的发展㊂(G a,M n)A s易与非磁性半导体结合形成异质结构,在Ⅲ-Ⅴ族D M S中掺M n后铁磁转变温度可提升至170K,且有实验室已经制备出有关Ⅲ-Ⅴ族D M S的自旋电子学器件[11]㊂然而,在(G a,M n)A s(如图3(a))等Ⅲ-Ⅴ族D M S中,M n2+异价替代G a3+严重限制了M n离子的固溶度,并且空穴和自旋的同时引入,限制了电荷和自旋自由度的分离调控,导致无法制备n型半导体;此外,由于M n离子极易进入间隙位,这限制了半导体材料T c的提升㊂因此,在对Ⅲ-Ⅴ族D M S的研究上还是面临着许多难题[11,13-14]㊂图3(a)(G a,M n)A s晶体结构;(b)L i(Z n,M n)A s晶体结构[15].F i g3C r y s t a l s t r u c t u r eo f(G a,M n)A s a n dL i(Z n,M n)A s[15]为了解决上述难题,力求在前三代磁性半导体上有所突破,人们经过不懈的努力和探索,发现了一种自旋和电荷掺杂机制分离的新型稀磁半导体 Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族D M S,如L i(Z n,M n)A s㊁L i(Z n,M n)P等[13-14]㊂Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族D M S属于F-43m空间群,具有立方晶体结构,且其基体材料都属于直接带隙半导体,在掺杂过后会出现变为间接带隙半导体材料的现象㊂这种D M S主要是通过等价掺杂磁性离子引入自旋,使得体系具有较高的M n固溶度,且通过改变L i的含量调控载流子浓度,从而解决了磁性和电性的分离调控问题,增加了调控的维度㊂以L i(Z n,M n)A s为例(如图3 (b)),在Z n离子位等价掺杂M n离子克服了化学固溶度的问题;通过L i离子化学计量数的调节可成功调控载流子浓度[6,15]㊂1.2稀磁半导体的分类经过对D M S长达半个世纪的研究后,人们根据不同的分类标准及需求在不同的阶段对D M S进行了分类归纳(表1)[8,12,16-22]㊂从半导体材料方面分类,可划分为化合物半导体基D M S和单质半导体基D M S;从磁性元素的种类方面可分为磁性过渡金属元素基D M S和磁性稀土金属元素基D M S;从元素周期排列方面分类可分为以(C d,M n)T e为代表的Ⅱ-Ⅵ族D M S,以(G a,M n)A s为代表的Ⅲ-Ⅴ族D M S,该类最高T c已经达到了170K;以L i(Z n,M n)A s为代表的Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族D M S,最高T c达到了50K;从化学计量比方面可分为以L i(Z n,M n)A s为代表的 111 型D M S,以(B a,K)(Z n,M n)2A s2为代表的 122 型D M S,最高T c已经达到了230K,以(L a,B a)(Z n,M n)A s O为代表的 1111 型D M S,最高T c为40K,以S r3L a2O5 (Z n,M n)2A s2为代表的 32522 型D M S的最高T c达到40K,以S r4T i2O6(Z n,M n)2A s2为代表的 42622 型D M S,最高T c为25K㊂850202021年第2期(52)卷表1 稀磁半导体分类T a b l e 1C l a s s i f i c a t i o no f d i l u t e dm a gn e t i c s e m i c o n d u c t o r s 分类标准材料类型典型D M S半导体材料化合物基[12](G a ,M n )A s 单质基[16]F e S i 磁性元素[17]磁性过渡元素基(G a ,M n )N磁性稀土金属元素基(G a ,G d )N 元素周期排列Ⅱ-Ⅵ族[12,18](Z n ,M n )T e ㊁(Z n ,M n )S eⅢ-Ⅴ族[12](G a ,M n )A sⅠ-Ⅱ-Ⅴ族[8]L i (Z n ,M n )A s ㊁L i (Z n ,M n )P化学计量比11 型 111型 122型[20] 1111 型[22]32522型[12] 42622型[12](Z n ,M n )S e[12](Z n ,M n )T e [18]L i (Z n ,M n )A s [8]L i (Z n ,M n )P [8]L i (Z n ,M n )N [19](C a ,N a )(Z n ,M n )2A s 2(B a ,K )(Z n ,M n )2A s [21]2(L a ,B a )(Z n ,M n )A s O (L a ,S r )(Z n ,M n )A s O(L a ,C a )(Z n ,M n )A s OS r 3L a 2O 5(Z n ,M n )2A s 2S r 4T i 2O 6(Z n ,M n )2A s 22 Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基稀磁半导体的研究进展目前,无论是二代㊁三代D M S 或者Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族新型D M S ,都存在T c 低于室温的缺陷[6,13,23]㊂在2005年,S C I E N C E 杂志曾提出125个 挑战人类认知极限 的重要科学问题,其中, 能否实现室温磁性半导体 这一科学问题在物质科学中居于前列[15,24-25]㊂因此,提高D M S 材料的T c 使其达到甚至高于室温一直是研究者们努力的方向㊂迄今为止,在Ⅱ-Ⅵ族D M S 和Ⅲ-Ⅴ族D M S 材料中,仅有Z n O 和C a N 两类材料出现了室温铁磁现象,但其磁性的起源和机理极具争议,且多为亚稳态材料,而(G a ,M n )A s 中的最高T c 也仅有190~200K [26]㊂因此,人们从实验制备和理论计算两个方面对Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基D M S 进行了深入研究,以期进一步理解其电输运性质和磁性的起源及机理,从而调控室温铁磁性,促进自旋电子学器件的制备和应用㊂2.1 实验制备方面由于D M S 材料具有优异的物理性能,用相对较低的成本制备高性能的膜和块体材料对半导体材料的生产具有重要意义,与Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族D M S 相比,Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族D M S 成功解决了M n 离子的低固溶度问题及自旋与电荷的分离调控问题㊂目前,用于Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族D M S 材料生长制备的技术已经比较成熟,主要有高温固相法等[2-3]㊂靳常青课题组[15,26]在M a s ㊅e k [13]对Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型D M S 材料L i Z n A s 理论计算的基础上,利用高温固相反应法合成了L i 1+y (Z n 1-x ,M n x )A s 多晶材料㊂通过X 射线衍射图谱(X -R a y Di f f r a c t i o n ,X R D )测试了材料的晶体结构,结果显示其与G a A s 材料同属于F -43m 空间群㊂电输运性质上,无论是L i 不足或是L i 过量,L i (Z n ,M n )A s 掺杂体系的电阻率都随温度降低或M n 离子浓度降低而升高,表现出明显的半导体性质,说明这两种情况下都会引入载流子,表明该体系成功调控了载流子浓度㊂在磁性表征方面,他们发现L i 过量体系中,当M n 离子浓度为3%时,具有接近3μB /M n 的饱和磁矩㊂L i (Z n ,M n )A s 具有较小矫顽力30O e ,有利于自旋操作的应用[27]㊂霍尔测量结果显示,当给该体系施加正磁场时,样品中会出现正向电压,表明L i (Z n ,M n )A s 材料为P 型半导体㊂通过μS R 测量,发现样品均匀掺杂,且所有的局域自旋都为有序排列,说明L i (Z n ,M n )A s 的铁磁性为该体系的本征属性㊂与(G a ,M n )A s 体系相比,两体系的铁磁性在有序矩㊁载流子浓度调控以及铁磁交换相互作用方面都呈现相似的性质,这与理论计算结果相对应㊂L i过量系统中的T c 随着M n 浓度的增加而增加,但最高T c 仅为50K (如图4(a )),离室温还有很大的差距[6]㊂为了提高Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型D M S 的T c ,改善材料的性能,掺杂不同的元素或者增加载流子浓度是两种有效的方法㊂王权等[23]用C r 替代M n 对L i Z n A s 材料进行掺杂,利用固相反应法制备了L i 1+y (Z n 1-x ,C r x )A s 样品,对其进行了基本物性探究,发现当C r 的掺杂浓度为10%时,T c 最高可达218K (如图4(b ))㊂此外,他们还确定了L i (Z n ,C r )A s 为立方晶体结构,与L i (Z n ,M n )A s 同属于F -43m 空间群㊂通过X R D95020李 越等:Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型稀磁半导体磁电性质的研究进展测量发现,晶格常数随C r掺杂量的增加而减小,表明C r对Z n的成功固溶㊂电输运性质方面,在L i过量的情况下,随着C r掺入量的增加,其电阻却显著增大,整个体系呈现半导体性质㊂霍尔测量结果证实了其也为P型半导体材料,表明L i(Z n,C r)A s材料更具有优越性,但与D e n g等[14]所预料的过量L i掺杂可产生n型载流子的结论不符,所以在探索n型半导体材料的路上还有很多挑战㊂磁性方面,当C r掺杂量在5%以下时,C r取代Z n引入了局域磁矩,但无长程有序;当C r 掺杂量在5%以上时,体系均呈铁磁有序,其中C r掺杂10%时,形成自旋玻璃态,15%C r掺杂时,矫顽力最大可达60814.4A/m,有效磁矩约为2~3μB/C r[26]㊂考虑到A s元素具有毒性,为提高实验安全性,秦川等[27]用P元素代替了A s,利用固相反应法成功制备了L i(Z n,M n)P样品㊂发现L i Z n P与L i Z n A s具有相同的晶体结构,也都为直接带隙半导体,并测量了材料的基础磁电性质㊂随后宁凡龙课题组[28,29]在此基础上进一步研究了L i1+y(Z n1-x,M n x)P材料的性质㊂发现该体系的晶格常数随着x㊁y的增加而增加,表明L i离子和M n离子的成功掺入㊂在电输运性质上,当x=0.10,y=0.15时,样品表现出明显的半导体性质㊂在磁性能方面,当M n离子浓度为3%时,每个M n离子有接近2个B o h r磁子(μB)的磁矩,同时具有约50O e的较小矫顽力,这为低场调控自旋应用提供了可能㊂核磁共振曲线和磁化率曲线的较完美重合证明了L i(Z n,M n)P样品中M n是均匀掺杂的,证实了该样品的铁磁性是由于M n磁矩的长程有序排列㊂当L i 过量时,对L i(Z n,M n)P进行了核磁共振弛豫时间测量,观察到局域电子和传导电子的自旋涨落行为,证明了载流子调控对磁有序具有重要作用[29];当L i含量一定时,随着M n含量增加,L i(Z n,M n)P的T c逐渐升高,约为22K(如图4(c)),与L i1+y(Z n1-x,M n x)A s 相近;而L i(Z n,M n)P的载流子浓度与L i(Z n,M n)A s 体系相比低了3个数量级㊂通常认为增加载流子浓度可以显著改善半导体性质,有利于T c的提升[15],因此,L i(Z n,M n)P较L i(Z n,M n)A s而言,在改进材料性质㊁提高T c等方面具有更大的研究前景㊂图4不同掺杂体系的M-T图,(a)L i1.1(Z n1-x M n x)A s,[26](b)L i1.1(Z n1-x C r x)A s,[23](c)L i1.15(Z n0.9M n0.1)P,[29](d)L i1.1(C d1-x M n x)P,[30](e)L i(Z n1-x-y M n x C u y)A s,[31](f)L i(Z n1-x-0.15C o x M n0.15)A s[32].F i g4M-Td i a g r a m so fd i f f e r e n td o p i n g s y s t e m s:(a)L i1.1(Z n1-x M n x)A s,[26](b)L i1.1(Z n1-x C r x)A s,[23](c)L i1.15(Z n0.9M n0.1)P,[29](d)L i1.1(C d1-x M n x)P,[30](e)L i(Z n1-x-y M n x C u y)A s,[31](f)L i(Z n1-x-0.15C o x M n0.15)A s[32]H a n等[30]发现M n掺杂到L i C d P中,会使得材料的T c比L i(Z n,M n)P有所提高,可达到45K(如图4 (d))㊂他们发现L i1+y(C d1-x,M n x)P材料的晶格常数随x,y单调变化,表明M n离子的成功掺入㊂在电输运性质方面,L i C d P基体材料呈半导体性质,且过量L i时的电阻率随温度的升高而降低,同样证明了M n 离子的有效掺杂㊂在磁性能方面,L i C d P基体材料呈反磁性,L i过量时,材料呈铁磁性,且矫顽力小于060202021年第2期(52)卷100O e,其中M n离子的浓度为2.5%时,具有接近0.94μB/M n的饱和磁矩,使得自旋操控成为可能㊂M a n[33]等将C u和M n掺杂到同一Z n离子中心成功合成了块状D M S材料B a(Z n,M n,C u)A s,并发现当C u掺杂到Z n离子中心时可产生载流子空穴㊂随后,郭胜利[28]等在此基础上尝试了C u-M n共掺杂L i Z n A s体系,发现L i(Z n,M n,C u)A s的晶格常数变化与L i(Z n,M n)A s体系的变化一致,表明M n,C u的成功掺杂㊂在电输运性质方面,当不含M n,且C u的含量为15%时,体系电阻率降低,表明C u引入载流子降低了体系的电阻率㊂M n-C u共掺改变了材料的温度依赖性,电阻率先在低温下先增加,然后在高温下又降低㊂当C u和M n在同一Z n离子位掺杂时,等价(M n,Z n)替代可引入局部自旋,(C u,Z n)替代可提供载流子空穴㊂从磁性方面来看,单掺C u时,不会引入磁矩,而当C u-M n共掺时L i(Z n1-x-y M n x C u y)A s体系表现出与(G a,M n)A s体系相同的铁磁有序性,当x =y=0.125时,T c最高可达33K(如图4(e)),具有小矫顽力40O e,有效磁矩达3.398μB/M n;而x=y= 0.15时,转变为自旋玻璃态㊂该体系丰富了自旋电子学器件的备选材料㊂C h e n等人[32]利用M n-C o共掺杂到Z n离子位的方法,研究了其对L i(Z n,C o,M n)A s体系铁磁有序态的影响㊂单掺C o/M n时,体系无铁磁有序,而当M n-C o共掺时,体系转变为铁磁有序,并且当M n的含量为5%时,饱和磁矩达到2.17μB/M n,与L i(Z n,M n) A s的饱和磁矩相当㊂体系具有低的矫顽力场100O e,表明了自旋操纵的可行性㊂但L i(Z n,C o,M n)A s体系的T c仅在40K左右(如图4(f)),离达到室温的目标还有很长一段距离㊂研究表明,M n离子的掺杂成功引入了自旋,而C o离子的掺杂成功引入了载流子,表明该体系自旋与载流子注入的成功分离㊂霍尔测试结果表明该掺杂体系为P型半导体㊂共掺体系的研究为探索更多的D M S材料提供了基础㊂2.2理论计算方面理论计算上,由于不受实验条件的限制,材料的电子结构㊁基本物性和磁性起源得到了充分的研究㊂Y u 等[34]和D j e r o u d等[35]在还未定义Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族D M S时发现,根据间隙插入规则,不能准确判断填充四面体半导体L i M g P的能带结构,需先进行完整的能带计算㊂M a s㊅e k等[13]在2007年第一次提出了Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族新型D M S的概念,发现L i Z n A s与G a A s的晶体结构和能带结构非常相似,都为直接带隙半导体,并且利用L D A+U的方法计算得出这两种材料具有非常接近的带隙值(L i Z n A s:1.61e V;G a A s:1.52e V),在已知(G a,M n)A s具有低的M n固溶度,且缺乏对局域磁矩和载流子浓度独立调控的情况下,运用C P A方法和外斯平均场理论估计了M n-M n自旋耦合的强度,发现L i(Z n,M n)A s比(G a,M n)A s具有更高的M n固溶度和更接近室温的T c,提出了通过调节L i的化学计量数来实现载流子浓度调控的方法㊂D j e r o u d等[35]在M a s㊅e k研究的基础上,运用第一性原理计算中的局域自旋密度近似首次对L i M g N,L i M g P和L i M g A s进行了研究计算,探究了压力对其电子结构和光谱的影响㊂S a t o等[36]利用基于密度泛函理论第一性原理计算中的K o r r i n g a-K o h n-R o s t o k e r c相干近似方法计算了M n掺L i Z n A s㊁L i Z n P和L i Z n N的电子结构,发现通过L i空位可以抑制体系的亚稳态分解,诱导M n离子间产生铁磁交换作用,还可提高体系的T c㊂W a n g等[37]通过第一性原理计算研究了C r掺杂L i Z n P材料的电子结构与磁性,发现C r掺杂体系具有自旋极化基态,呈铁磁性㊂T a o等[38]系统地研究了过渡金属(T r a n s i t i o n M e t a l,T M)元素V㊁C r㊁M n㊁F e㊁C o㊁N i对L i Z n P体系磁性机制的影响,发现V㊁C r㊁M n㊁F e的掺杂体系具有磁性,但C o㊁N i的掺杂体系不具有磁性,而V/L i㊁C r/L i的共掺体系具有铁磁有序性,M n/L i㊁F e/L i㊁C o/L i共掺体系则呈现反铁磁有序性,表明L i(Z n,T M)P体系的磁性可以通过掺入不同的TM元素来调节㊂在此基础上,C u i等[19]利用第一性原理系统地研究了V㊁C r㊁M n㊁F e㊁C o㊁N i掺杂L i Z-n N体系的电子结构和磁学特性,发现C r㊁M n㊁F e掺杂体系均呈反铁磁性,而V㊁C o㊁N i掺杂体系呈铁磁性,磁矩主要来自于T M-3d轨道,且V/L i㊁M n/L i㊁N/L i 共掺使体系的铁磁性更稳定,C r/L i㊁F e/L i㊁C o/L i共掺则使体系的反铁磁性也更具稳定性,表明L i的含量对于制备L i Z n N铁磁材料具有非常重要的作用㊂T a o 等[39]利用密度泛函理论研究了M n掺杂完美和缺陷2DL i Z n P薄膜材料的电子与磁学性质,发现M n掺2DL i Z n P偏向于自旋极化态,可使得2D材料存在稳定的铁磁性,并且当L i和Z n空位作为受体缺陷时,可以提高载流子浓度,从而增强材料的磁性㊂这为2D 材料的进一步研究奠定了理论基础㊂为了进一步探究Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族新型D M S的输运性质和磁性起源,提高材料的T c,同时实现自旋和电荷的分离调控,从而获得性能更好的D M S,毋志民课题组利用第一性原理对过渡金属(V,C r,M n,F e)掺杂Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族L i M X(M=M g㊁Z n㊁C a;X=A s㊁P㊁N)新型D M S的电子结构㊁磁性㊁T c和光学性质进行了系统的研究[5,40-47]㊂首先,对于L i X A s(X=Z n㊁M g)体系,王爱玲[40]对L i Z n A s体系进行了M n掺杂的理论计算研究,分析了体系的电子结构㊁半金属性㊁光学性质及形成能,发现体系具有半金属性质,在L i过量时可提高体系的T c,降低形成能使得体系更稳定,增强体系的导电性能㊂还发现通过分别调节L i含量和掺入M n16020李越等:Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型稀磁半导体磁电性质的研究进展含量可以调控体系的电性和磁性,表明L i Z n A s可实现电荷与自旋注入机制的分离调控㊂张恒源[41]对L i M g A s体系同样进行了M n掺杂的几何结构优化和计算,分析了其磁性㊁态密度㊁电子结构㊁差分电荷密度和光学性质等㊂发现L i过量时,体系从M n单掺时的半金属性变为金属性,磁性减弱,T c升高,结构更加稳定,并且体系的光学性质也同样随着L i的计量数发生相应改变㊂对于L i X P(X=M g㊁Z n)体系,陈婷[42,43]对L i M g P分别进行了M n掺杂和F e掺杂的第一性原理计算㊂发现在M n和F e的掺入都会引入一种比M g-P 更强的共价键,使掺杂体系表现出半金属铁磁性,并且L i的含量对体系的磁性㊁半导体性能㊁稳定性以及导电性能有明显的调控作用,说明L i M g P可以通过自旋与电荷注入机制的分离调控,来改善D M S材料的各种性质㊂贾倩[44]和杜颖妍[45]利用第一性原理的平面波超软赝势法分别研究了V和F e掺L i Z n P体系的电子结构㊁磁性㊁形成能㊁T c㊁光学性质等性质㊂发现V的掺杂引入了自旋极化杂质带,使得体系表现出半金属性;而F e的掺入使体系呈金属性,且导电性较L i Z n P 本征体增强,其光学性质也发生明显变化㊂还发现L i 的含量对材料的磁性和T c有重要的影响,当L i不足时,两种掺杂体系的T c都升高,磁性相对于单掺体系都有所减弱㊂杜成旭[46]选用可增强平均磁矩的磁性元素C r和可增加材料声子反射㊁降低材料热导率的非磁性元素A g单掺和共掺杂L i Z n P体系,利用L S D A 第一性原理计算方法计算分析了掺杂体系的电子结构㊁形成能㊁磁性㊁光学性质和差分电荷密度等性质㊂发现C r单掺时,L i(Z n,C r)P体系呈金属铁磁性,形成了强共价键;A g单掺时,L i(Z n,A g)P体系呈金属性,不显磁性;而A g-C r共掺时,L i(Z n,A g,C r)P体系呈半金属铁磁性,形成相互作用力最强的C r-P键,体系最稳定,在光学性质方面对介质密度影响也最大㊂对于L i X N(X=M g㊁C a)体系,邓军权[47]选择了不会在掺杂中产生铁磁性沉淀问题的非磁性元素C u来掺杂L i M g N,采用L S D A近似研究了掺杂体系的电子态密度㊁能带结构㊁T c和形成能等㊂发现当L i过量时,会使得L i(M g,C u)N体系由C u单掺时的半金属性变为半导体性,导电能力增强;而L i少量时会使体系更具稳定性,T c提高,磁性增强㊂刘洋华[5]利用第一性原理平面波超软赝势对M n掺L i C a N体系的计算研究发现,L i过量时,发生了可降低体系简并度的杨-泰勒效应,并在光学性质的能量损失函数中发现明显的蓝移效应和较强等离子体共振频率㊁较宽等离子振荡范围㊂3结语D M S作为一种兼具半导体与磁性且具有优异独特的磁光㊁磁电功能的新型半导体材料,具有广阔的应用前景㊂其中,Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族新型D M S由于解决了不能独立调控自旋与电荷自由度㊁低的磁性离子固溶度和难以制备多晶块材等问题,成为半导体领域的研究热点㊂目前对Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族新型D M S的研究无论在实验制备和理论计算方面都取得了重大突破,已经证实了某些D M S材料的铁磁性起源机制㊂更为重要的是,一些D M S材料的最高T c已经可以与(G a,M n)A s相比拟㊂但是还有更多种类的铁磁性机制需要去研究证实[3,18],并且理想的D M S需要拥有以下几个特点:T c 可以达到室温以上;可以选择n型掺杂或者p型掺杂;具有反常霍尔效应和优异的磁光效应;体系的铁磁性与掺杂体系的自旋劈裂关联[48]㊂因此,Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族新型D M S想要达到实用程度,首先需要将T c进一步提高至室温以上㊂最近有研究者提出通过化学加压[49]的方法增强铁磁交换作用,能够有效提高材料的T c,为此类材料的研究提供了一种新思路㊂目前,对自旋电子学器件的研制还处于基础阶段,有望通过将稀磁半导体㊁反铁磁半导体和超导体结合起来,形成新型异质结,探索设计更多的新型电子学器件㊂因此,在Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族新型D M S的研究方面,还存在诸多挑战和无尽的机遇㊂未来,通过不断优化掺杂磁性元素的浓度和调节载流子的含量,有望开发出高T c㊁大饱和磁矩的新型D M S,为设计㊁制备出达到实用程度的新型自旋电子学器件,探索新的物理效应和新的应用特性提供坚实的实验和理论基础㊂参考文献:[1] C h a n g K a i,X i a J i a n b a i.D i l u t e dm a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s-b r i d g i n g s p i na n dc h a r g e[J].P h y s i c s,2004,33(6):414-418(i nC h i n e s e).常凯,夏建白.稀磁半导体-自旋和电荷的桥梁[J].物理,2004,33(6):414-418.[2]H o uD e n g l u.P r e p a r a t i o na n d p r o p e r t i e so fd i l u t e d m a g-n e t i c s e m i c o n d u c t o r s[J].P h y s i c sE x p e r i m e n t a t i o n,2005, 25(8):3-7+11(i nC h i n e s e).侯登录.稀磁半导体的制备与性质[J].物理实验,2005, 25(8):3-7+11.[3] H o uZ h i q i n g,L i uD o n g z h o u,N aM u l a.R e s e a r c h p r o g r e s so n t h e p r e p a r a t i o n m e t h o d so fd i l u t e d m a g n e t i cs e m i c o n-d u c t o r s[J].Se m i c o n d u c t o r T e c h n o l o g y,2014,39(4):294-299(i nC h i n e s 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